UE工作过程

1/7以UE的操作为中心，看LTE系统中的UE是如何工作的。时时时时PLMN时时时时时时时时时时时RRC时时时RRC时时时detach1.TDD时FDD时时时时2.时时CP时时3.cellID时时时时1.时时时时时时MIB时SIB2.PLMN时时3.时时时时S时时1.时时时时时时2.NAS时时时时时时时时时时时时时时3.时时时时时时1.IDLE时时时时R时时2.时时时时时TAU时3.DRX时时时时时PDCCH1.时时时时时时时时时时时2.时时时时时时时时时3.时时时BSR时时时1.时时detach2.时时时时时detach时时图1UE在LTE网络大致的工作流程UE在LTE网络中的工作如图1所示，开机之后基本可以分为7个基本过程。时频同步：UE在这个阶段，完成频率同步和时隙同步。PLMN搜索和小区选择：UE在此阶段读取MIB和SIB，完成PLMN搜索和小区选择过程。网络注册（Attach）：UE完成随机接入，核心网注册，PDN连接并激活默认承载。RRC空闲态过程：UE在空闲态监听PDCCH信道，接收paging信息，进行小区重选，如有必要进行位置更新过程。RRC连接态过程：UE在连接态的移动性管理，通过测量上报和网络判决的切换完成，发起业务时涉及到天线的发送模式，定时和BSR等过程。Detach：分为网络发起的detach和UE发起的detach。时频同步：这部分首先要掌握的知识是LTE的主辅同步信号（PSS和SSS）和CRS的概念，涉及协议36.211。此外，需要学习36.211中的物理信道比如PBCH、PDSCH和PUCCH等。UE以100KHz为间隔，在支持的频带内搜索LTE小区。PSS序列在全系统中一共配置3个，PSS序列为62位的ZC序列，其根序列号由小区组内ID即2IDN决定。通过监测PSS，能够确定小区组内ID。SSS序列为两个31位的m序列交叉级联，决定了小区组ID即1IDN。在一个无线帧内，SSS序列的两个子序列位置反转，以此确定10ms无线帧。小区物理ID为213IDIDIDNNN，通过PSS与SSS的相关峰距离确定子帧type（FDD或者TDD）和CP类型（normalCP或者extendedCP）。参考TDD和FDD的PSS和SSS的不同时域位置。最后，经由CRS获取更加精确的时间同步和频率同步。PLMN搜索和小区选择：经由CRS精确地时频同步之后，UE就可以开始读取系统信息。本节内容主要涉及两个协议，36.331的系统信息部分和36.304的PLMN选择和小区选择。首先，需要知道系统信息的组织方式。详情请参阅系统信息获取相关培训章节，这里做简单介绍。2/7系统信息分为主信息块（MIB）和系统信息块（SIB）。MIB承载在物理广播信道（PBCH）中发送，发送周期、位置和格式都是固定的，具体信息为3bit下行系统带宽配置，3bit的PHICH配置，8bit的系统无线帧号（用于系统无线帧同步）和10bit的保留位供未来拓展。SIB有SIB1，SIB2，…，SIB13，总体上按照信息重要性和调度方式的不同，SIB可以划分为SIB1和SIs(即除了SIB1之外的SIB)。SIB1是最关键的系统信息块，里面的内容直接影响着PLMN选择和小区选择。然后，UE首先要执行PLMN选择过程。PLMN的全称是公共陆地移动网络，主要由移动国家代码（MCC）和移动网络代码（MNC）组成，直观地看，中国移动和中国联通的PLMN代码不同。PLMN有很多分类，HPLMN（归属PLMN）、VPLMN（拜访PLMN）….其中有些PLMN可以驻留，有些PLMN则不可以驻留，比如中国移动用户不能驻留在中国联通的网络上。UE读取本载波上最强的小区，并且读取系统信息，具体说来是SIB1和PLMN选择有直接关系。如果SIB1中的PLMNID不满足PLMN的选择条件，则UE不能选择该PLMN。SIB1的具体信息如图2所示：图2SystemInformationBlockType1PLMN选择成功之后，UE执行小区选择过程。小区选择的目的是UE找到一个合适的小区进行驻留，进而接收系统信息，寻呼和发起业务等，这些将在后面涉及。小区选择第一步是看SIB1中的小区接入允许信息，如图2所示。如果小区是阻塞的（cellbarred）或者保留的（reserved），则一般情况下我们测试的UE（接入等级AC1~9）不能接入该小区。当SIB1中的小区参数如图2中所示为notReserved和allowed时，UE可以开始执行小区选择过程。小区选择依据S准则（selection准则），在36.304中的章节为5.2.3。在log中小区选择的S准则计算结果如图3所示：图3小区选择在log中的特征3/7网络注册（或称附着，涉及36.213,36.331和NAS协议24.301）UE开机选网，选择完小区后，要想获得LTE系统的服务，必须在网络中进行注册，称为附着（attach）。Attach过程最终需要建立和核心网的连接，在核心网里登记UE的身份信息和位置信息，同时还要激活默认承载等，这些过程主要和非接入网（核心网）相关，称之为NAS（Non-AccessStratum）过程。核心网的连接建立在接入网侧RRC连接基础上，首先介绍RRC连接的建立过程。UE完成小区选择之后，读取广播的系统信息。目前UE并没有和基站发生通讯，如何建立与基站的RRC连接，告知UE的状态，需要经过随机接入过程，如图4所示。随机接入的细节请参考相关的培训文档，这是在测试中经常遇见的case，这里着重于过程性的介绍。图4开机附着在SIB2中，有随机接入过程相关参数rach-ConfigCommon和prach-Config，参数里面表明了随机接入的资源配置。如图5的步骤1~5所示，UE选择了随机接入资源后，会发送随机接入前导Msg1，并根据随机接入前导的响应Msg2初步调整上行定时确定上行发送资源，发送竞争消息Msg3同时携带RRC连接请求（RRCConnectionRequest），最终由基站下发的Msg4完成竞争解决，Msg4中携带有RRC连接请求的响应，积极的响应为RRC连接建立（RRCConnectionSetup），UE接收到该消息后会回复一条确认信息，RRC连接建立完成（RRCConnectionSetupComplete）。通过以上的步骤，UE完成RRC连接建立。到目前为止，开机后的UE已经完经由初始随机接入完成了RRC连接建立，与基站的通信链路建立完成，现在需要打通核心网的链路，这个过程是attach，它是一个NAS过程。所谓NAS过程是指与物理层的技术和流程不相关的，UE的NAS层协议栈和核心网NAS层协议栈互相通信的过程。流程如图5中的6到19。UE侧不能看见eNB和核心网之间的消息，并且在实际系统中步骤7中的身份认证，鉴权和加密可能只出现一部分，一般情况下，在log中出现了步骤16，RRC连接重配置完成时（RRCReconfigurationComplete），UE的attach过程基本就完成了。当然最后需要检查两条确认信令attach完成和激活默认EPS承载上下文接受。至此UE完成了Attach过程，UE在核心网中完成了信息注册，PDN连接和默认承载建立，获得了一个IP地址。在测试过程中，如果attachreject出现，通常有几个原因：一个是SIM卡和核心网不匹配，另一个是APN没有设置好，最常见的是UE上一次关机没有detach，核心网保留有UE注册信息，再次attach会触发attachreject。图5中过程1到过程5完成了RRC连接建立，过程6到过程18是核心网的Attach流程。4/7UEEPCeNB1.RAPreamble开机后先进行小区选择，接收系统信息，然后开始附着7.Identity/Authentication/Security3.RRCConnectionRequest8.建立默认EPS承载等2.RAResponse4.RRCConnectionSetup5.RRCConnectionSetupComplete(包含AttachRequest、PDNconnectivityrequest消息)6.InitialUEmessage（包含AttachRequest、PDNconnectivityrequest消息）9.Initialcontextsetuprequest(包含AttachAccept、ActivatedefaultEPSbearercontextrequest)15.RRCConnectionReconfiguration（包含AttachAccept、ActivatedefaultEPSbearercontextrequest）16.RRCConnectionReconfigurationComplete17.Initialcontextsetupresponse19.UPLINKNASTRANSPORT（包含AttachComplete、ActivatedefaultEPSbearercontextaccept）10.UECapabilityEnquiry11.UECapabilityInformation13.SecurityModeCommand14.SecurityModeComplete12.UECapabilityInfoIndication18.ULInformationTransfer（包含AttachComplete、ActivatedefaultEPSbearercontextaccept）图5RRC连接建立和附着5/7RRC空闲态UE过程本节的前提条件是UE已经在获取系统信息，attach成功后，回到RRCidle态，在小区中驻留。可以简单地将UE的RRCidle态理解为手机的待机状态，此时LTE网络在跟踪区域（TA，TrackingArea）的维度上知道UE的位置，在业务到来时发起寻呼；UE通过小区重选和TAU机制维持idle态下的移动性，通过DRX机制监听网络寻呼，一旦需要发起业务，即发起RRC连接建立过程，回到RRC连接态。首先介绍空闲态下的移动性管理，即小区重选。RRCidle下，移动中的UE需要重新选择新的小区进行驻留，然后监测该小区的系统信息等。小区重选的主要系统参数来自于SIB3，重选判断准则是R准则（Reselection准则），详见36.3045.2.4章节。此处只给出在测试log中的trace特征，图6。图6小区重选则log中的特征小区重选完成后，UE需要判断当前小区的TAC(TrackingAreaCode)是否在网络分配的TAI列表中，以确保idle态的UE在网络中可以通过在TrackingArea中的寻呼。如果当前小区的TAC不在UE保存的跟踪区域列表（TAIlist）中，UE需要进行跟踪区域更新（TAU），以告知网络自己的移动位置。跟踪区域更新是UE与核心网互相通信的过程，所以是NAS过程，详细描述见协议24.301。如前述NAS过程需要建立在RRC连接之上，所以IDLE态下的NAS过程会触发RRC连接建立等一系列过程，如图7所示。图7TAU过程始末UE在RRCidle态还有非连续接收（DRX，DiscontinuousReceive）的操作，为了延长待机时间，UE可以在网络的配置下，在一定的时间段内监听网络的寻呼，其他时间段UE则不需要监听小区的寻呼。DRX的详细内容请参考相关培训文档和36.321协议。RRC连接态RRC连接态是指UE维持与基站的RRC连接过程，从RRC连接建立完成开始，到RRC连6/7接释放结束，所有与eNB和核心网的业务联系都需要在RRC连接态下进行。首先介绍RRC连接态下的移动性，小区切换。连接态下是基站控制，UE辅助的移动性。基站配置UE的测量参数，UE执行测量，并按照一定的规则（周期或者事件触发）上报，基站进行切换判决并下发，UE执行切换并在目标站里确认。详细内容请参阅规范36.331和相关培训文档。下面以一个异频切换的log为